KR101737486B1 - 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템 - Google Patents

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Abstract

서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템이 개시된다. 서로 다른 위상을 가지고, 크기는 동일한 제1 차동신호와 제2 차동신호를 발생하는 전압 제어 발진기, 발생되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 증폭시키는 송신용 증폭기, 증폭된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신하는 송신용 안테나부, 제1 차동신호와 제2 차동신호 각각이 반사되어 생성된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 수신하는 수신용 안테나부, 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출하는 수신용 저잡음 증폭기, 제1 차동신호, 제2 차동신호 및 검출된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 수신하고, 수신된 제1 차동신호, 제2 차동신호 및 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 혼합한 후, 베이스 밴드(base band) 대역까지 주파수가 낮춰진 제5 차동신호와 제6 차동신호를 생성하는 혼합기 및 생성된 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭시키는 최종 증폭기를 포함한다.

Description

서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템{Differential Radar System using two different signals}
본 발명은 물체를 감지하는 레이더에 관한 것으로, 상세하게는 서로 다른 성질을 지니는 신호를 송신 및 수신함으로써 새로운 정보를 획득할 수 있는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템 및 이를 수행하는 방법에 관한 것이다.
기술이 발전하고 점점 더 안전을 추구함에 따라, 물체 감지와 관련된 기술에 대한 수요와 관심이 크게 증가하고 있다. 특히, 센서기술은 물체를 감지하는 기술로써, 이와 깊은 관련이 있다.
센서기술 중 레이더는 전자파를 이용하여 물체의 거리, 속도 등의 정보를 얻는 기술이다. 레이더 기술은 빛을 이용하는 CMOS 이미지 센서나 자동문에 주로 이용되는 열을 이용하는 열전(pyroelectric) 센서 등과 다르게 전자파를 이용하기 때문에 일기나 빛의 세기, 그리고 온도등에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
레이더의 종류를 변조방식에 따라 나누어 보면 크게 세 가지 방식으로 분류할 수 있다.
첫 번째로, 도플러 레이더 방식이다. 도플러 레이더는 가장 기본적인 형태의 레이더로, 일반적인 형태의 정현파 신호를 송신, 그리고 물체에 맞고 반사된 신호를 수신하는 형태의 레이더로, 도플러 효과를 이용해 물체의 속도를 측정할 수 있다. 가장 대표적인 활용 예로는, 교통단속 등에 널리 쓰이는 스피드건이 있다. 가장 기본적인 형태의 레이더이지만, 특별한 변조가 걸리지 않아 이동거리 측정이 어렵다는 단점이 있다.
두 번째로, 주파수 변조 연속 정현파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 방식이다. 주파수 변조 연속 정현파 방식은 주파수를 시간에 따라 증가나 감소하게 하여 송수신시 비트(beat) 주파수를 발생시켜 기존의 도플러 레이더 방식에서 측정하기 어려웠던 거리를 측정 할 수 있다.
세 번째로, 펄스(pulse) 방식이 있다. 기존의 연속된 주파수를 사용하는 위의 두 방식과 다르게, 펄스 방식에서는 듀티-사이클(Duty-Cycle)을 가지고 있는 펄스를 이용한다. 즉, 수신과 송신된 펄스 사이의 시간 차이를 이용하여 레이더와 물체와의 거리를 산출할 수 있다.
여기서, 물체의 감지는 거리와 속도뿐만 아니라 물체가 어느 쪽에 있는지 방향을 감지하는 것 역시 매우 중요하다. 이를 레이더 기술에 도입하기 위해서는 먼저 레이더의 안테나를 기계적으로 회전할 수 있게끔 하는 방식이나 여러 개의 레이더 배열을 이용, 전기적으로 각 배열 사이에 조금씩 위상차이를 주어 방향을 조절하는 방식을 이용해야 하는데 CMOS를 이용해 집적한 레이더 블록의 경우, 그 크기가 아주 작고 기계적으로 안테나의 방향을 정확하게 제어하기 어렵기 때문에 레이더 배열을 이용하는 방식이 널리 이용되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-0748992호는 송신 누설 신호를 제거할 수 있는 밸런스 구조의 누설 신호 제거기를 이용하여 송신 전력의 손실을 줄이는 원형 편파 레이더 장치에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 서로 다른 성질의 두 신호를 각자 독립된 안테나부를 이용해 송수신한 후, 이를 증폭하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템 및 이를 수행하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 증폭된 신호를 기초로 물체의 공통적 특성을 제거하고, 신호의 차이를 극대화하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템 및 이를 수행하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명에 따른 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템은,
서로 다른 위상을 가지고, 크기는 동일한 제1 차동신호와 제2 차동신호를 발생하는 전압 제어 발진기, 상기 발생되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 증폭시키는 송신용 증폭기, 상기 증폭된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신하는 송신용 안테나부, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호 각각이 반사되어 생성된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 수신하는 수신용 안테나부, 상기 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출하는 수신용 저잡음 증폭기, 상기 제1 차동신호, 상기 제2 차동신호 및 상기 검출된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 수신하고, 상기 수신된 제1 차동신호, 제2 차동신호 및 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 혼합한 후, 베이스 밴드(base band) 대역까지 주파수가 낮춰진 제5 차동신호와 제6 차동신호를 생성하는 혼합기 및 상기 생성된 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭시키는 최종 증폭기를 포함한다.
또한 상기 전압 제어 발진기와 상기 송신용 증폭기 사이에 완충작용, 임피던스 정합 및 증폭을 수행하는 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 송신용 안테나부가 한 개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 수신용 안테나부가 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호는 상기 한 개의 송신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제3 차동신호는 하나의 수신 안테나를 통해 수신하며, 상기 제4 차동신호는 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 송신용 안테나부가 두 개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 수신용 안테나부가 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우, 상기 제1 차동신호는 하나의 송신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제2 차동신호는 나머지 하나의 송신 안테나를 통해 송신되며, 상기 제3 차동신호는 하나의 수신 안테나를 통해 수신되고, 상기 제4 차동 신호는 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 송신용 안테나부와 상기 수신용 안테나부가 통합된 두 개의 송수신 안테나를 포함하는 경우, 상기 제1 차동신호는 하나의 송수신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제2 차동신호는 나머지 하나의 송수신 안테나를 통해 송신되며, 상기 제3 차동신호는 상기 제1 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신되고, 상기 제4 차동신호는 상기 제2 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 두 개의 송수신 안테나와 각각 연결되는 두 개의 수직 혼합 분배기(Hybrid Quadrature Coupler)를 더 포함하되, 상기 수직 혼합 분배기는, 4개의 포트를 포함하고, 상기 4개의 포트 중 제1 포트가 상기 송신용 증폭기와 연결되고, 제2 포트가 상기 송수신 안테나와 연결되며, 제3 포트가 상기 혼합기와 연결되고, 제4 포트가 상기 수신용 저잡음 증폭기와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 수직 혼합 분배기의 제1 포트와 제2 포트 사이 및 제3 포트와 제4 포트 사이는, 50 옴(Ω) 매칭을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호의 편파 방향이 다른 신호인 경우, 제1 차동신호와 제2 차동신호의 누설신호를 제거하는 누설신호 제거기(leakage canceller)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템 및 이를 수행하는 방법에 의하면, 서로 다른 성질의 두 신호를 각자 독립된 안테나부를 이용해 송수신한 후, 이를 증폭할 수 있다.
또한 증폭된 신호를 기초로 물체의 공통적 특성을 제거하고, 신호의 차이를 극대화할 수 있다.
또한 신호의 차이를 이용해야 하는 상황에서 유용하게 사용할 수 있으며, 예를 들면, 균일성, 수평적 균형 등을 맞추는 어플리케이션에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직 혼합 분배기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 물체 감지를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 교통수단에 포함된 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 의료수단에 포함된 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
차동 레이더 시스템은 서로 다른 성질의 두 신호를 각자 독립된 안테나부를 이용해 송수신한 후, 이를 증폭한다. 차동 레이더 시스템은 증폭된 신호를 기초로 물체의 공통적 특성을 제거하고, 신호의 차이를 극대화한다. 차동 레이더 시스템은 신호의 차이를 이용해야 하는 상황에서 유용하게 사용할 수 있으며, 예를 들면, 균일성, 수평적 균형 등을 맞추는 어플리케이션에 사용할 수 있다.
차동 레이더 시스템은 전압 제어 발전기, 버퍼, 송신용 증폭기, 송신용 안테나부, 수신용 안테나부, 수신용 저잡음 증폭기, 혼합기 및 최종 증폭기를 포함한다.
전압 제어 발전기는 서로 다른 위상을 가지고, 크기 및 주파수가 동일한 제1 차동신호와 제2 차동신호를 발생하고, 버퍼는 전압 제어 발진기와 그 다음단에 구성된 송신용 증폭기 사이에 완충작용, 임피던스 정합 및 미세한 증폭을 수행한다. 송신용 증폭기는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 증폭시키고, 송신용 안테나부는 증폭된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 기 설정된 방향의 물체로 송신한다. 수신용 안테나부는 제1 차동신호와 제2 차동신호가 물체에 반사되어 생성된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 수신하고, 수신용 저잡음 증폭기는 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출한다. 혼합기는 제1 차동신호, 제2 차동신호 및 검출된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 수신하고, 수신된 제1 차동신호, 상기 제2 차동신호 및 상기 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 혼합한 후, 베이스 밴드(base band) 대역까지 주파수가 낮춰진 제5 차동신호와 제6 차동신호를 생성한다. 마지막으로, 최종 증폭기는 생성된 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭시킨다.
이렇게 증폭된 제5 차동신호와 제6 차동신호는 디지털 신호처리 모듈(미도시)을 통해 디지털 신호처리를 수행한다.
이 때, 차동 레이더 시스템은 상기 송신용 안테나부와 수신용 안테나부가 포함하는 안테나의 개수 및 차동신호의 특성에 따라 그 구성이 변경가능 하다.
(제1 실시예 : 차동 레이더 시스템이 한 개의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 차동 레이더 시스템(1)은 한 개의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나를 포함한다. 따라서, 차동 레이더 시스템(1)는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 한 개의 송신 안테나를 통해 송신하고, 제3 차동신호를 하나의 수신 안테나를 통해 수신하며, 제4 차동신호를 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신한다.
차동 레이더 시스템(1)은 전압 제어 발전기(110), 버퍼(120), 송신용 증폭기(130), 송신 안테나(140), 제1 수신 안테나(152), 제2 수신 안테나(154), 수신용 저잡음 증폭기(160), 혼합기(170) 및 최종 증폭기(180)를 포함한다.
전압 제어 발전기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)(110)는 특정한 주파수의 신호를 정형파로 생성한다. 전압 제어 발전기(110)는 L-C 전압 제어 발전기일 수 있다. 전압 제어 발전기(110)는 서로 다른 위상을 가지고, 크기는 동일한 두 신호를 생성한다. 상기 두 신호는 위상이 180°차이가 발생하여 서로 부호가 다를 수 있으며, 각각 제1 차동신호와 제2 차동신호로 분리되어 다음단으로 전달된다. 즉, 제1 차동신호와 제2 차동신호는 서로 180° 위상의 차이를 가지고, 크기는 동일한 신호일 수 있다.
제1 차동신호와 제2 차동신호는 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015092327799-pat00001
여기서,
Figure 112015092327799-pat00002
는 전압 제어 발전기에서 생성된 신호의 진폭 세기를 의미하고,
Figure 112015092327799-pat00003
는 신호의 각주파수를 의미하며,
Figure 112015092327799-pat00004
는 시간을 의미한다.
또한, 전압 제어 발전기(110)와 다음단 사이에 도시된 두 개의 화살표는 제1 차동신호와 제2 차동신호가 분리되어 다음단으로 전달되는 것을 의미한다.
버퍼(buffer)(120)는 전압 제어 발전기(110)와 다음단을 분리시켜주고, 제1 차동신호와 제2 차동신호를 소폭 증폭시켜준다.
특히, 전압 제어 발전기(110)의 다음단에 어떤단이 오는가에 따라 성능이 많이 달라지는데, 버퍼(120)는 전압 제어 발전기(110)와 다음단 간의 완충작용을 수행하는 동시에 임피던스 정합을 한다.
송신용 증폭기(Tx amp, Power Amplifier, PA)(130)는 버퍼(120)에서 전송된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신하기 위한 최종적인 증폭을 한다. 송신용 증폭기(130)는 증폭된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 싱글 엔드형(single-ended)으로 변환시켜주기 위한 변압기(transformer)로 사용된다.
송신 안테나(140)는 싱글 엔드형으로 변환된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 기 설정된 방향으로 송신한다. 송신 안테나(140)는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 순차적으로 송신하거나 동시에 송신할 수 있다.
이 때, 상기 기 설정된 방향은 사용자가 원하는 방향일 수 있다.
제1 수신 안테나(152)는 송신 안테나(140)에서 송신된 제1 차동신호가 임의의 물체에 반사된 제3 차동신호를 수신한다.
제2 수신 안테나(154)는 송신 안테나(140)에서 송신된 제2 차동신호가 임의의 물체에 반사된 제4 차동신호를 수신한다.
여기서, 제3 차동신호와 제4 차동신호는 서로 다른 위상을 가지고, 크기는 동일한 신호이다. 이 때, 제3 차동신호와 제4 차동신호는 위상이 180°차이가 발생하여 서로 부호가 다를 수 있다.
제3 차동신호와 제4 차동신호는 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015092327799-pat00005
여기서,
Figure 112015092327799-pat00006
는 제1 수신 안테나로 수신된 제3 차동신호의 진폭 세기를 의미하고,
Figure 112015092327799-pat00007
는 송신된 제1 차동신호가 반사되어 제1 수신 안테나로 돌아오는데 걸린 시간을 의미하며,
Figure 112015092327799-pat00008
는 제2 수신 안테나로 수신된 제4 차동신호의 진폭 세기를 의미하고,
Figure 112015092327799-pat00009
는 송신된 제2 차동신호가 반사되어 제2 수신 안테나로 돌아오는데 걸린 시간을 의미한다.
하지만
Figure 112015092327799-pat00010
,
Figure 112015092327799-pat00011
의 크기는 칩의 크기(size)가 물체의 거리에 비해 굉장히 작기 때문에, 계산의 편의를 위하여 같다고 표현될 수 있다. 따라서, [수학식 2]는 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.
Figure 112015092327799-pat00012
수신용 저잡음 증폭기(160)는 제1 수신 안테나(152)와 제2 수신 안테나(154)에서 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출한다. 수신용 저잡음 증폭기(160)는 제3 차동신호와 제4 차동신호의 합을 통하여 그 차이를 검출할 수 있다. 따라서, 수신용 저잡용 증폭기(160)는 [수학식 4]과 같이 제3 차동신호와 제4 차동신호를 합할 수 있다.
Figure 112015092327799-pat00013
또한 수신용 저잡음 증폭기(160)는 저잡음을 증폭시키는 역할도 한다.
[수학식 4]에서 개시된 바와 같이, 제1 수신 안테나(152)로 수신된 제3 차동신호의 딜레이와 제2 수신 안테나(154)로 수신된 제4 차동신호의 딜레이가 같거나 2π의 정수배가 될 경우, 최종적으로 검출되는 신호의 세기는 0이 된다. 반대로,
Figure 112015092327799-pat00014
의 값이 π의 홀수배가 될 경우, 최종적으로 검출되는 신호의 크기는 최대가 된다.
따라서, 수신용 저잡음 증폭기(160)는 상기 특징으로 이용하여 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출할 수 있다.
혼합기(170)는 버퍼(120)에서 출력되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 수신받고, 수신용 저잡음 증폭기(160)에서 검출된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 수신받아 이들을 혼합한 후, 베이스 밴드 대역까지 주파수를 낮춰 제5 차동신호와 제6 차동신호를 생성한다.
이렇게 혼합기(170)에서 주파수를 낮춰줌에 따라, 추후 수행되는 디지털 신호처리가 용이하게 수행될 수 있다.
최종 증폭기(180)는 혼합기(170)에서 생성된 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭한다. 최종 증폭기(180)는 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭하여 디지털 신호처리가 용이하도록 한다.
(제2 실시예 : 차동 레이더 시스템이 두 개의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우)
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 차동 레이더 시스템(2)은 두 개의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나를 포함한다. 따라서, 차동 레이더 시스템(2)은 제1 차동신호를 하나의 송신 안테나를 통해 송신하고, 제2 차동신호를 나머지 하나의 송신 안테나를 통해 송신하며, 제3 차동신호를 하나의 수신 안테나를 통해 수신하고, 제4 차동신호를 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신한다.
차동 레이더 시스템(2)은 전압 제어 발전기(110), 버퍼(120), 송신용 증폭기(130), 제1 송신 안테나(242), 제2 송신 안테나(244), 제1 수신 안테나(152), 제2 수신 안테나(154), 수신용 저잡음 증폭기(160), 혼합기(170) 및 최종 증폭기(180)를 포함한다.
차동 레이더 시스템(2)은 제1 실시예인 차동 레이더 시스템(1)과 전체적인 구동동작이 동일하다. 다만, 차동 레이더 시스템(2)은 차동 레이더 시스템(1)과 달리 두 개의 송신 안테나를 포함함으로써, 제1 차동신호와 제2 차동신호를 각각의 송신 안테나로 송신한다.
즉, 차동 레이더 시스템(2)는 버퍼(130)에서 출력되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 각각 제1 송신 안테나(242)와 제2 송신 안테나(244)로 전달하여 기 설정된 방향의 물체로 신호를 송신한다는 점이 차이가 있다.
차동 레이더 시스템(2)는 나머지 구성들과 그 구성의 구동동작이 차동 레이더 시스템(1)과 동일함으로 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
(제3 실시예 : 차동 레이더 시스템이 두 개의 송수신 안테나를 포함하는 경우)
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직 혼합 분배기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 차동 레이더 시스템(3)은 두 개의 송수신 안테나를 포함한다. 차동 레이더 시스템(3)은 제1 차동신호를 하나의 송수신 안테나를 통해 송신하고, 제2 차동신호를 나머지 하나의 송수신 안테나를 통해 송신하며, 제3 차동신호를 상기 제1 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신되고, 제4 차동신호는 상기 제2 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신된다.
차동 레이더 시스템(3)은 전압 제어 발전기(110), 버퍼(120), 송신용 증폭기(130), 제1 송수신 안테나(342), 제2 송수신 안테나(344), 제1 수직 혼합 분배기(352), 제2 수직 혼합 분배기(354), 제1 수신 안테나(152), 제2 수신 안테나(154), 수신용 저잡음 증폭기(160), 혼합기(170) 및 최종 증폭기(180)를 포함한다.
차동 레이더 시스템(3)은 제1 실시예인 차동 레이더 시스템(1)과 제2 실시예인 차동 레이더 시스템(2)과 전체적인 구동동작이 동일하다. 다만, 차동 레이더 시스템(3)은 차동 레이더 시스템(1, 2)과 달리 송신 안테나와 수신 안테나를 통합하는 송수신 안테나를 포함하는 점이 차이가 있다.
즉, 차동 레이더 시스템(3)은 송수신을 겸하는 안테나를 사용하는 모노-스태틱(mono-static) 구조이다. 차동 레이더 시스템(3)은 안테나의 개수를 최소화하고, 구조와 전체 모듈의 크기를 간단히 만들 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, 송수신단을 하나의 칩에 집적하한 레이더 구조의 경우, 송신단의 신호 세기가 수신단으로 새어 나가는 리크(leakage)가 큰 문제가 될 수 있다. 또한 보통 수신단의 첫 단은 저잡음 증폭기 등으로 이루어지며, 수신단의 입력신호의 세기에 비해 매우 크기 때문에, 큰 송신단의 신호가 수신단으로 새어나가면 수신단의 입력부분에서 포화(saturation)가 되어 제대로 동작이 수행되기 어렵다.
특히, 송수신단이 하나의 송수신 안테나로 공유하여 사용하는 모노-스태틱 구조의 경우, 수직 혼합 분배기와 송수신 안테나 사이에 임피던스 부정합일 발생될 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 차동 레이더 시스템(3)은 제1 수직 혼합 분배기(352)와 제2 수직 혼합 분배기(354)를 더 포함한다.
제1 수직 혼합 분배기(352)는 4개의 포트를 포함하고, 4개의 포트 중 제1 포트(410)는 송신용 증폭기(130)와 연결되고, 제2 포트(420)는 제1 송수신 안테나(342)와 연결되며, 제3 포트(430)는 혼합기(170)와 연결되고, 제4 포트(440)는 수신용 저잡음 증폭기(160)와 연결된다. 특히, 제1 포트(410)와 제2 포트(420) 사이 및 제3 포트(430)와 제4 포트 사이(440)에 50 옴(Ω)을 매칭한다.
여기서, 제2 수직 혼합 분배기(354)는 제1 수직 혼합 분배기(352)와 동일한 구조를 가지므로, 그 구성에 대한 설명은 생략한다.
따라서, 차동 레이더 시스템(3)은 제1 수직 혼합 분배기(352)와 제2 수직 혼합 분배기(354)를 완벽한 대칭으로 구성하고, 제1 송수신 안테나(342)와 제2 송수신 안테나(344)로 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호가 서로 반대 부호를 띄고 있기 때문에, 수신용 저잡음 증폭기(160)에서 완벽하게 상쇄할 수 있다.
즉, 차동 레이더 시스템(3)의 제1 수직 혼합 분배기(352)는 제1 포트(410)로 전달되는 전력이 제2 포트(420)와 제3 포트(430)로 절반씩 전달되지 않고, 제2 포트(420)에서 반사가 일어나 그 일부가 수직 혼합 분배기의 비-이상(non-ideal) 특성에 따라 제4 포트(440)로 전력이 전달되는 현상을 방지할 수 있다.
(제4 실시예 : 차동 레이더 시스템이 제1 차동신호와 제2 차동신호의 편파 방향이 다른 신호인 경우)
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 차동 레이더 시스템(4)은 제3 실시예에 개시된 차동 레이더 시스템(3)에 누설신호 제거기(leakage canceller)(550)를 더 포함한다. 여기서, 누설신호 제거기(550)는 누설신호를 제거한다.
차동 레이더 시스템(4)는 위상차가 180°인 제1 차동신호와 제2 차동신호를 이용하는 경우가 아닌 편파방향이 다른 제1 차동신호와 제2 차동신호를 이용할 경우 사용된다. 즉, 차동 레이더 시스템(4)는 누설신호 제거기(550)를 통해 송수신용 안테나와 수직 혼합 분배기상의 임피던스가 완벽하게 매칭이 되지 않아 전력의 일부가 반사되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 물체 감지를 설명하기 위한 예시도이다. 도 6(a)는 평면 감지를 도시한 도면이고, 도 6(b)는 함몰부를 포함한 굴곡 감지를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 차동 레이더 시스템(1, 2, 3, 4)는 제1 차동신호(610, 650)와 제2 차동신호(620, 660)를 기 설정된 물체의 방향으로 송신하고, 상기 물체를 반사되어 생성된 제3 차동신호(630, 670)와 제4 차동신호(640, 680)를 수신한다. 차동 레이더 시스템(1, 2, 3, 4)는 제1 내지 제4 차동신호를 이용하여 상기 물체의 형상, 물체와의 거리 등을 검출할 수 있다.
기 설정된 물체가 평면(10)을 포함하는 물체인 경우, 차동 레이더 시스템(1, 2, 3, 4)은 제3 차동신호(630)와 제4 차동신호(640)의 합이 서로 크기가 동일하고, 위상이 180°이므로, 0이 된다.
하지만 기 설정된 물체가 함몰부(25)를 가져 굴곡(20)을 포함하는 물체인 경우, 차동 레이더 시스템(1, 2, 3, 4)은 제3 차동신호(670)와 제4 차동신호(680)의 합이 서로 크기가 동일하고, 위상이 함몰부(25)에 따라 달라지므로, 0이 아니게 된다.
특히, 함몰부(25)의 깊이가 λ/4인 위상의 거리 차가 존재하면, 제3 차동신호(670)와 제4(680)의 합이 보강간섭을 이루어 최대가 된다.
도 7은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 교통수단에 포함된 차동 레이더 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 차동 레이더 시스템(700)는 교통수단, 의료장비 등에 일부분으로 포함되어 물체 감지를 할 수 있다.
교통수단에 차동 레이더 시스템(700)이 포함되는 경우, 차동 레이더 시스템(700)은 근접한 서로 다른 두 영역에 두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 동일한 방향으로 평행하게 송신한 후, 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 평면의 굴곡을 측정하거나 물체의 모서리(edge)를 검출할 수 있다.
또한 차동 레이더 시스템(700)은 두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 서로 반대방향으로 송신하도록 하고, 제1 차동신호와 제2 차동신호를 근접한 동일 평면에 송신한 후, 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 상기 교통수단의 속도를 측정할 수 있다.
이 때, 차동 레이더 시스템(700)은 안테나를 적어도 두 개 이상의 안테나를 포함하며, 바람직하게는 제1 송수신 안테나(710)와 제2 송수신 안테나(720)와 같이 두 개의 안테나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 교통수단의 전면, 측면, 후면, 밑면 중 적어도 한 곳에 차동 레이더 시스템(700)을 장착하여 거리 측정 및 속도 측정을 할 수 있다. 여기서, 교통수단은 자동차, 지하철, 기차, 선박, 비행기 등일 수 있다.
또한, 교통수단의 경우 도플러 효과를 이용할 수 있다. 도 7을 참조하면, A방향에서 B방향으로 기차가 이동한다고 가정하고, a방향과 b방향으로 각각 파를 쏜다고 가정하면, 제2송수신 안테나(720)에서 쏜 빔은 도플러 효과에 의해 점점 가까워지는 효과가 있어, 돌아올 때의 주파수가 쏠 때의 주파수에 비해 크게 느껴지고, 제1송수신 안테나(710)에서 쏜 빔은 멀어지기 때문에, 돌아올 때의 주파수가 쏠 때의 주파수에 비해 작게 느껴질 수 있다. 이를 통해, 주파수를 이용해 물체의 이동방향을 알 수 있고, 이와 같이 변화된 주파수 량은 기차의 속도와 관련이 있으므로, 이를 이용하여 속도를 측정할 수 있다.
의료장비에 차동 레이더 시스템(700)이 포함되는 경우, 차동 레이더 시스템(700)은, 피검체의 동일한 부분을 향하도록 두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신한 후, 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 상기 피검체의 동작잡음(motion artifact)를 제거할 수 있다.
예를 들면, 차동 레이더 시스템(700)은 심장 박동 측정을 할 수 있다. 즉, 차동 레이더 시스템(700)는 소형화시킬 수 있는 장점을 통해 비접촉 심장박동 측정장치로 구현할 수 있다. 차동 레이더 시스템(700)는 심장박동 측정장치로 자동차에서 운전자의 심장박동을 감지하는 기술에 적용될 수 있다. 특히, 피검체가 움직임일 경우, 차동 레이더 시스템(700)은 피검체의 동작잡음을 제거할 수 있는 장점이 있다.
보다 구체적으로, 두 개의 안테나(1, 2)가 존재하는 경우(도 8참조), 두 개의 송신되는 제1차동신호와 제2차동신호가 대상으로부터 제3차동신호와 제4차동신호로 반사되어 돌아오는 경우, 제1차동신호가 심장에 가까운 쪽으로 향하고, 제2차동신호가 심장으로부터 일정거리 떨어진 곳을 향한다고 가정하면, 심장에 가까운 곳에 위치한 곳과 심장으로부터 떨어진 곳의 움직임은 서로 다르므로, 도플러 레이더 식에 의해 제3차동신호와 제4차동신호로 돌아오는 주파수의 변화량도 다르다.
즉, 제3차동신호와 제4차동신호의 주파수 차를 이용하면, 심장박동의 성분만을 검출해 낼 수 있다. 이 때, 제3차동신호와 제4차동신호는 [수학식 5]를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112015092327799-pat00015
이와 같이, 차동 레이더 및 주파수를 이용한 심장 박동 검출 방식은 비접촉 방식이고, 전파를 이용하기 때문에 몸에 어떤 것도 부착할 필요가 없으며, 움직이고 있는 대상의 심장 박동을 검출할 수 있다.
종래의 접촉식 방식의 경우 자세나 체격 등에 따라 측정 결과가 달라지는 한계를 지니고 있었으나, 본 발명의 차동 레이다 시스템의 경우 이러한 문제를 해결할 수 있으며, 대상이 움직이고 있을 때도 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1, 2, 3, 4, 700: 차동 레이더 시스템
10: 평면
20: 굴곡
25: 함몰부
110: 전압 제어 발전기
120: 버퍼
130: 송신용 증폭기
140: 송신 안테나
152: 제1 수신 안테나
154: 제2 수신 안테나
160: 수신용 저잡음 증폭기
170: 혼합기
180: 최종 증폭기
242: 제1 송신 안테나
244: 제2 송신 안테나
342, 710: 제1 송수신 안테나
344, 720: 제2 송수신 안테나
352: 제1 수직 혼합 분배기
354: 제2 수직 혼합 분배기
410: 제1 포트
420: 제2 포트
430: 제3 포트
440: 제4 포트
550: 누설신호 제거기
610, 650: 제1 차동신호
620, 660: 제2 차동신호
630, 670: 제3 차동신호
640, 680: 제4 차동신호

Claims (13)

  1. 서로 다른 위상을 가지고, 크기는 동일한 제1 차동신호와 제2 차동신호를 발생하는 전압 제어 발진기;
    상기 발생되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 증폭시키는 송신용 증폭기;
    상기 증폭된 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신하는 송신용 안테나부;
    상기 제1 차동신호와 제2 차동신호 각각이 반사되어 생성된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 수신하는 수신용 안테나부;
    상기 수신된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 검출하는 수신용 저잡음 증폭기;
    상기 제1 차동신호, 상기 제2 차동신호 및 상기 검출된 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 수신하고, 상기 수신된 제1 차동신호, 제2 차동신호 및 제3 차동신호와 제4 차동신호의 차이를 혼합한 후, 베이스 밴드(base band) 대역까지 주파수가 낮춰진 제5 차동신호와 제6 차동신호를 생성하는 혼합기; 및
    상기 생성된 제5 차동신호와 제6 차동신호를 증폭시키는 최종 증폭기를 포함하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진기와 상기 송신용 증폭기 사이에 완충작용, 임피던스 정합 및 증폭을 수행하는 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 송신용 안테나부가 한 개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 수신용 안테나부가 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우,
    상기 제1 차동신호와 제2 차동신호는 상기 한 개의 송신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제3 차동신호는 하나의 수신 안테나를 통해 수신하며, 상기 제4 차동신호는 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 송신용 안테나부가 두 개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 수신용 안테나부가 두 개의 수신 안테나를 포함하는 경우,
    상기 제1 차동신호는 하나의 송신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제2 차동신호는 나머지 하나의 송신 안테나를 통해 송신되며, 상기 제3 차동신호는 하나의 수신 안테나를 통해 수신되고, 상기 제4 차동 신호는 나머지 하나의 수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 송신용 안테나부와 상기 수신용 안테나부가 통합된 두 개의 송수신 안테나를 포함하는 경우,
    상기 제1 차동신호는 하나의 송수신 안테나를 통해 송신되고, 상기 제2 차동신호는 나머지 하나의 송수신 안테나를 통해 송신되며, 상기 제3 차동신호는 상기 제1 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신되고, 상기 제4 차동신호는 상기 제2 차동신호를 송신한 송수신 안테나를 통해 수신되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 두 개의 송수신 안테나와 각각 연결되는 두 개의 수직 혼합 분배기(Hybrid Quadrature Coupler)를 더 포함하되,
    상기 수직 혼합 분배기는,
    4개의 포트를 포함하고, 상기 4개의 포트 중 제1 포트가 상기 송신용 증폭기와 연결되고, 제2 포트가 상기 송수신 안테나와 연결되며, 제3 포트가 상기 혼합기와 연결되고, 제4 포트가 상기 수신용 저잡음 증폭기와 연결되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수직 혼합 분배기의 제1 포트와 제2 포트 사이 및 제3 포트와 제4 포트 사이는,
    50 옴(Ω) 매칭을 하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 차동신호와 제2 차동신호의 편파 방향이 다른 신호인 경우,
    제1 차동신호와 제2 차동신호의 누설신호를 제거하는 누설신호 제거기(leakage canceller)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 신호를 이용하는 차동 레이더 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 차동 레이더 시스템을 포함하는 교통수단.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 차동 레이더 시스템은,
    근접한 서로 다른 두 영역에 두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 동일한 방향으로 평행하게 송신한 후, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 평면의 굴곡을 측정하거나 물체의 모서리(edge)를 검출하는 것을 특징으로 하는 교통수단.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 차동 레이더 시스템은,
    두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 서로 반대방향으로 송신하도록 하고, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호를 근접한 동일 평면에 송신한 후, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 상기 교통수단의 속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 교통수단.
  12. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 차동 레이더 시스템을 포함하는 의료장비.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 차동 레이더 시스템은,
    피검체의 동일한 부분을 향하도록 두 개의 송신되는 제1 차동신호와 제2 차동신호를 송신한 후, 상기 제1 차동신호와 제2 차동신호가 반사된 제3 차동신호와 제4 차동신호를 이용하여 상기 피검체의 동작잡음(motion artifact)를 제거하는 것을 특징으로 하는 의료장비.
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